1、洛陽理工學院畢業設計（論文） I洛陽理工學院畢業設計（論文） 1000W大功率開關電源設計隨著電源技術的不斷發展，開關電源作為一種新型電源設備得到了廣泛的認 可和應用。伴隨著這種趨勢，人們也在期待著開關電源的大功率化。本文從大功 率開關電源的方向著手設計，分析了開關電源的組成與工作原理，了解了開關電 源的主要結構、輔助技術以及開關器件的選擇與驅動等方面。從而掌握了開關電 源的相關知識，理解了人們對大功率開關電源的迫切需求。此外，本文最后提到 了蓄電池的充電技術，這是因為時代的高速運轉，使得快速充電技術應運而生。 因此作為一名電源工作者，應當有所了解。關鍵詞：開關電源，大功率，快速充電DESIG

2、N OF 1000W SWITCHING HIGH-PO WER SUPPLYABSTRACTWith the continu ous devel opment of po wer tech no logy,switch ing po wer supply is a new type of po wer equipment that has bee n widely recog ni zed and app lied.AI ong with this trend,people in high po wer switch ing po wer supply of look forward to.

3、The article from the switchi ng po wer supply desig n directi on s,a nalyzed the compo siti on and working principle of switching power supply,the main structure of switch power suppl y,assistive tech no logy and the choice of switchi ng device and drive etc.To master the related kno wledge of switc

4、hi ng po wer supply,un dersta nd the urge nt dema nd of high-power switching power supply of the people.ln addition,the last mentioned charging battery,this is because the high running times,makes the rapid charging tech no logy emerge as the times require.Therefore as a po wer worker,I should be aw

5、are of it.KEY WORDS: Switching power supply. High-power, Fast charging洛陽理工學院畢業設計（論文）151617 洛陽理工學院畢業設計（論文）151617 1.11.2開關電源的基本原理. 開關電源的組成與工作原理1.1.1開關電源的工作原理1.1.2開關電源的構成1.1.3開關電源的特點. 開關電源的主要類型 1.2.1控制方式1.2.2連接分類1.2.3輸出取樣方式 系統分析和選擇開關電源系統概述 第2章2.12.2 DC/DC變換器的選擇,2.2.1硬開關式全橋變換器 2.2.2諧振式全橋變換器 2.2.3移相式全橋變換

6、器 控制電路的設計整流濾波電路的設計2.4.1輸入整流濾波回路2.4.2輸出整流濾波回路 開關電源主電路的設計 .開關電源的設計要求 電路結構框圖輸入整流濾波電路 3.3.1整流橋電路3.2.2輸入整流電容3.3.3輸入濾波電感 逆變電路的設計2.32.43.13.23.33.410101212121313131517洛陽理工學院畢業設計（論文）4141 洛陽理工學院畢業設計（論文）4141 3413423.4.3344功率轉換電路 確定電路工作頻率 高頻變壓器的計算 高壓開關管的選擇 隔直電容Cb的選擇213.4.53.5輸出整流濾波電路 3.5.1輸出整流二極管 3.5.2輸出濾波電感 3

7、.5.3輸出濾波電容 第4章控制電路的設計4.1 PWM集成控制器的基本原理 4.2高速脈寬調制器 UC38254.2.1主要特點4.2.2極限參數4.2.3內部工作原理 4.3 UC3825 的調試 4.4反饋電路的設計 4.5保護電路的設計 4.5.1軟啟動電路的設計 4.5.2過流過壓保護 4.6均流電路的設計 4.6.1均流電路的簡述 4.6.2開關電源并聯系統的常用均流方法 輔助電源對蓄電池充電的認識 蓄電池充電的理論基礎 蓄電池的常規充電法 5.2.1恒壓充電方式 5.2.2恒流充電方式 蓄電池的快速充電方式 4.7第5章5.15.25.3222223232325252525262

8、6303233333436363738 40404041洛陽理工學院畢業設計（論文） XV洛陽理工學院畢業設計（論文） #531脈沖式充電法 532 REFLEXTM 充電法結論謝辭參考文獻 4242444546洛陽理工學院畢業設計（論文） 洛陽理工學院畢業設計（論文） #電源是實現電能變換和功率傳遞的主要設備。在信息時代，各行業的 迅猛發展對電源產品提出了更多、更高的要求，如節能、節電、節材、縮 體、減重、環保、安全等，這就迫使電源工作者在電源的研發過程中不斷 探索，尋求各種相關技術。做出最好的電源產品。開關電源是一種新型電 源設備，較之于傳統的線性電源，其技術含量高、能耗低、使用方便。開關

9、電源技術作為電力電子學的一個重要組成部分，目前在國內的相 關資料較少，使得在一定程度上影響了這一新技術在我國的推廣和應用。 然而近年來，伴隨大量電源工作者的辛苦研發工作，開關電源在通信設備、數控裝置、儀器儀表、視頻音響、家用電器等電路中得到了廣泛應用。本文通過對開關電源基本原理的分析，提出了大功率開關電源的主電 路和控制電路的設計方案，并完成了開關電源的硬件電路部分的設計。本PWM集成控制部分次論文主要分析了開關電源的橋式整流、濾波回路、 等的分析。本文在編寫過程中，我們參考了各種文獻資料和期刊論文，對我的幫 助很大，對此，向這些文獻作者表示感謝。洛陽理工學院畢業設計(論文) 洛陽理工學院畢業

10、設計(論文) 第1章開關電源的基本原理開關電源中的功率調整管工作在開關狀態，具有功耗小、效率高、穩壓范圍寬、溫升低、體積小等突出優點，在通信設備、數控裝置、儀器儀 表、視頻音響、家用電器等電子電路中得到廣泛應用。1.1開關電源的組成與工作原理1.1.1開關電源的工作原理開關電源的工作原理可以用圖1-1進行說明。圖中輸入的直流不穩定電壓Ui經開關S加至輸入端，S為受控開關，是一個受脈沖控制的開關調Ui變成整管。開關S按要求改變導通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓 矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經過濾波電路進行平滑濾波就可得到穩定的Ui直流輸出電壓U 0 0Uo(a )原理電路(b)波形圖1-1開關電

11、源工作原理定義脈沖占空比如下:(1-1)式中，T表示開關S的開關重復周期：ton表示開關S在一個開關周期 中的導通時間。開關電源直流輸出電壓 Uo與輸入電壓Ui之間具有如下關系:(1-2 )U。=UiD由上面兩式可以看出：占空比D，達到調節輸出電壓的目的，這種保持(1 )若開關周期 T 一定，改變開光 S的導通時間ton，即可改變脈沖 T不變而只改變ton來實現占空比調節的方式，稱為脈沖寬度調節(PWM)。由于PWM式的開關頻率固定，輸出濾波電路比較容易設計，易實現最優化, 電源用的較多。因此PWM式開關(2)若保持ton不變，利用改變開關頻率f=%來實現脈沖占空比調節，從而實現輸出直流電壓

12、Uo穩壓的方式，稱為脈沖頻率調制(PFM)由于開關頻率不固定，所以PFM方式的輸出濾波電路的設計不易實現最 優化。既改變ton，有改變T ,從而實現脈沖占空比的調節的穩壓方式,稱為脈沖調頻調寬方式。在各種開關電源中，以上三種脈沖占空比調節方式均有應用。1.1.2開關電源的構成1-2):開關電源由以下四個基本環節組成(如圖(1) DC/DC變換器：用以進行功率變換，是開關電源的核心部分。PWM變換器以及DC/DC變換器有多種電路形式，其中控制波形為方波的 工作波形為準正弦波的諧振變換器應用較為普遍。(2 )驅動器：開關信號的放大部分，對來自信號源的開關信號放大、 整形，以適應開關管的驅動要求。P

13、WM(3 )信號源：產生控制信號，由它激或自激電路產生，可以是 信號，也可以是 PFM信號或其他信號。控制開比較放大器：對給定信號和輸出反饋信號進行比較運算,關信號的幅值、頻率、波形等，通過驅動器控制開關器件的占空比，達到穩定輸出電壓的目的。UiDC/DC*變換器Uo驅動器信號源比較放大器圖1-2開關電源基本組成框圖RiR2除此之外，開關電源還有輔助電路，包括啟動電路、過流過壓保護、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等。開關電源與線性電源相比，輸入的瞬態變換比較多地表現在輸出端,在提高開關頻率的同時，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開關電源 的瞬態響應指標也能得到改善。負載變換瞬態響應主要由輸出端

14、LC濾波器的特性決定。所以可以通過提高開關頻率、降低輸出濾波器LC的值的方法改善瞬態響應特性。1.1.3開關電源的特點開關電源具有以下特點:(1 )效率高。開關電源的功率開關調整管工作在開關狀態,所以調整管的功耗小、效率高。調整管的效率一般為 80%90%，高的可達90%以上。(2 )重量輕。由于開關電源省掉了笨重的電源變壓器,節省了大量的漆包線和硅鋼片，所以電源的重量只是同容量線性電源的1/5，體積也大大縮小。(3)穩壓范圍寬。 開關電源的交流輸入電壓在90270V范圍變化時,輸出電壓的變化在2%以下。合理設計電路還可使穩壓范圍更寬，并保證開關電源的高效率。(4)安全可靠。在開關電源中，由于

15、可以方便地設置各種形式的保護洛陽理工學院畢業設計(論文) 洛陽理工學院畢業設計(論文) #洛陽理工學院畢業設計（論文） 電路，所以當電源負載出現故障時，能自動切斷電源，保護功能可靠。20KHZ以上,（5）元件數值小。由于開關電源的工作頻率高，一般在 所以濾波元件的數值可以大大減小。（6）功率小。功率開關管工作在開關轉臺，其損耗小；電源溫升低， 不需要采用大面積散熱器。 采用開關電源可以提高整機的可靠性和穩定性。1.2開關電源的主要類型F面從電路的控制方式和輸出取樣方式兩方面對開關電源做一大致分類。1.2.1控制方式1.脈沖寬度調制式由開關電源輸出直流電壓表達式Uo UjD可知，控制開關管的導通

16、時間ton，可以調整輸出電壓 Uo，達到輸出穩壓的目的。 脈沖寬度調制（PWM） 方式是采用恒頻控制，即固定開關周期T,通過改變脈沖寬度 ton來實現輸出穩壓。開關器件的開關頻率f由自激或它激方式產生。2.脈沖頻率調制方式脈沖頻率調制（PFM）方式是利用反饋來控制開關脈沖頻率或開關脈沖周期，實現調節脈沖占空比D，從而達到輸出穩壓的目的。3.脈沖調頻調寬式ton，又控制脈沖這種控制方式是利用反饋控制回路，既控制脈沖寬度開關周期T,以實現調節脈沖占空比D，從而達到輸出穩壓的目的。4.其他方式若觸發信號利用電源電路中的開關管、高頻脈沖變壓器構成正反饋環 路，完成自激振蕩，使開關電源工作，則這種電源稱

17、為自激式開關電源。它激式開關電源需要外部振蕩器，用以產生開關脈沖來控制開關管，使開關電源工作，輸出直流電壓。它激式電源大多數需要專用的PWM觸發集成電路。1.2.2連接分類電源以功率開關管的連接方式分類，可分為單端正激開關電源、單端反激開關電源、 半橋開關電源和全橋開關電源；以功率開關管與供電電源、 儲能電感的連接方式以及電壓輸出方式分類，可分為串聯開關電源和并聯 開關電源。1.2.3輸出取樣方式取樣電路是電源反饋電路的重要部分，取樣方式對系統的穩定性有決 定作用。(1 )直接取樣電路。 采用直接輸出取樣方式的開關電源安全性好,具有便于空載檢修、穩壓反應速度快、瞬間響應時間短等優點。(2 )間

18、接取樣電路。 該方式的缺點是響應慢。當輸出電壓因輸入電壓等原因發生突變時，輸出電壓的變化需經過開關變壓器耦合才能反映到取 樣繞組兩端，所以穩壓的動態結果一般。洛陽理工學院畢業設計（論文） 洛陽理工學院畢業設計（論文） 第2章系統分析和選擇本章從整體上對開關電源的各個模塊進行了介紹，主要介紹了各模塊 的結構、功能以及相互之間的關系，并對當前開關電源常用的變換器進行 了分析。并據此分析，選擇相應的電路元器件。2.1開關電源系統概述由第1章可知，開關電源由四個基本環節組成，分別是DC/DC變換器、 驅動器、信號源、比較放大器。然而該系統設計中還應有輔助電路，主要 為控制電路部分，其功能是產生電路所需

19、的控制脈沖和提供各種保護。該系統結構框圖如圖2-1所示。圖2-1開關電源結構框圖開關電源的主電路通過輸入整流濾波、DC/DC變換、輸出整流濾波將交流電壓轉換為所需的直流電壓。由圖2-1可知，開關電源主回路由以下三部分組成:輸入整流濾波電路。其作用是將交流電通過整流模塊變成具有脈沖的 直流電，然后通過濾波電容將其變為較平滑的直流電。功率開關電路。其作用是將濾波得到較平滑的直流電變為高頻的方波 電壓，再通過高頻變壓器送到輸出端。輸出濾波回路。其作用是將高頻方波電壓轉變成為所需要的直流電壓 或者電流。由于控制電路部分在整個電源中起到首腦的作用，控制整個系統工作 并實現相應的保護功能。所以，開關電源主

20、回路進行正常的功率變換所需 的觸發脈沖是由系統的控制電路部分提供的。一般情況下，控制電路都具 有控制脈沖產生電路、驅動電路、電壓反饋控制電路等功能。2.2 DC/DC變換器的選擇將一種直流電壓變換成另一種直流電壓（可調或固定）的過程稱為DC/DC變換，DC/DC變換是開關電源的主要功能之一，隨著電子技術的 發展，DC/DC變換專用電路成為設計者常用的器件，稱之為DC/DC變換器。因為DC/DC變換器的輸入電壓較大，對開關器件而言選擇全橋式電 路比較合適。全橋式電路可以使變壓器磁芯和繞組得到最優利用；使效率 等得到優化。另外，當功率開關器件安全運行時，最大反向電壓不會超過加在輸入 整流濾波電路兩

21、端的輸出電壓。但是，由于系統中的功率元器件比較多的 緣故，功率損耗也會很大。現在，全橋式變換器常用的有硬開關式、諧振式以及移相式。2.2.1硬開關式全橋變換器硬開關式PWMfe路（如圖2-2 ）具有結構簡單、控制方便的優點。在硬開關式PWM電路中，開關管工作在硬開關狀態，為了保證不必要的損耗，同時使功率器件正常運行，經常加入緩沖電路，如RC吸收網絡。但是系統總的損耗并沒有減少，只是單純地將開關損耗轉移到了緩沖電路中。而且頻率也會對開關損耗造成一定的影響。所以，當開關器件在高頻下運 行時，器件中的極間電容將占有不可忽略的地位。因為極間電容在進行電 壓轉換時會產生較強的電磁干擾，影響開關電源系統的

22、正常運行。洛陽理工學院畢業設計（論文） 洛陽理工學院畢業設計（論文） 洛陽理工學院畢業設計(論文) Q1Q3Q2nD1AD2Q4DraLfRl圖2-2硬開關式全橋變換電路222諧振式全橋變換器硬開關式電路在頻率較高時受到的影響較大，所以，我們可以考慮應 用諧振式軟開關電路。與硬開關式全橋電路相比，它主要增加了諧振電感 和諧振電容兩個元件。其主要作用是利用諧振作用控制開關器件的導通或關斷。諧振變換電路的其基本結構是通過開關器件和諧振電感、諧振電容的串并聯實現的。其基本電路結構如圖2-3所示。LrsLr(a)零電流開關LrLrSs/ I /IICr(b)零電壓開關圖2-3諧振電路的基本結構圖由圖2

23、-3(a)可知為一 ZCS開關，是通過諧振元件和開關器件的串聯來實現的。當開關管導通時，諧振網絡接通并產生諧振，此時電流按正弦規 律變化，當電流諧振到零時，令開關管關斷，使諧振停止。由圖2-3( b)可知為ZVS開關，是通過諧振元件和開關管的并聯實現的。當開關管關斷時，諧振元件串聯并產生諧振，此時電壓按正弦規律變化，當電 壓諧振過零時，將開關管 S導通。(PFM)。米用諧振式全橋變換電路，可以大大提高開關電源工作的安全性。因 為負載對諧振變換電路的影響較大，所以為了保證輸出直流電壓穩壓的方 式，采用了脈沖頻率調制223移相式全橋變換器由于移相控制全橋變換電路具有移相控制實現方便、開關損耗小、可

24、靠性高等優點，已經普遍的應用在大功率應用場合中。其功能是指保持每個開關管的導通時間不變，每個橋臂的功率管互補導通成180。，兩個橋臂的導通角相差一個相位。因此它是通過調節移相角的大小來調節輸出電壓的。除此之外，它還利用諧作用振來實現零電壓或零電流的開關換流。 由以上分析可知，采用移相式全橋變換電路較好。2.3控制電路的設計由于DC/DC變換器的正常工作運行是需要控制電路提供適當的驅動 脈沖的，所以控制電路在開關電源系統中是不可或缺的。如果控制電路輸 出的觸發信號不穩定，或者誤觸發，則會導致短路，損壞開關器件。由各電路的功能，我們可以將控制電路部分分為脈沖觸發電路、反饋 控制電路、保護電路等部分

25、（如圖2-4）。我們從圖2-4中可以看出，脈沖產生電路是由保護電路和軟啟動電路控制產生脈沖信號，然后經過觸發電 路作用于電源的主電路。電源主電路觸發電路/軟啟動電路輔助電路保護電路11脈沖產生電路電壓反饋控制電 路圖2-4開關電源控制電路框圖電壓反饋控制通過檢測電壓的大小，對輸出電壓進行采樣，然后將采樣電壓與參考電壓進行比較得到一個電壓誤差，再將電壓誤差進行處理后 送給脈沖產生電路， 從而調節輸出脈沖的脈寬，實現輸出電壓穩壓的目的。PWM脈沖驅動電路作為執行部分，其工作原理是將控制電路輸出的 信號驅動大功率開關管。由于所提供的脈沖幅度以及波形會影響開關管的 開關過程，所以，應該選擇適當的驅動電

26、路。因為電源的輸出濾波電容較大，開始時會產生非常大的充電電流。它 不僅使開關管有可能損壞，而且也會引起過流保護裝置誤動作。若為了避 過流保護的誤動作而將保護電路的動作時間延長，這將會降低過流保護的 安全可靠性。輸出電壓在合閘時容易出現過沖，這種過沖，合閘時可能發 生，在關閉電源時也可能產生。因此，軟啟動電路可以消除這種沖擊，在 啟動時提供一個逐漸上升的電壓信號給脈沖產生電路，使其得到緩沖而慢 慢建立起電壓。為了提高安全可靠性，開關電源保護電路的功能為過流保護、過壓保 護、欠壓保護、溫度保護。其中，過流保護和過壓保護是為了保護負載和 電源兩者而設置的；欠壓保護和溫度保護是為了電源本身而設置的。2

27、.4整流濾波電路的設計整流濾波包括輸入和輸出整流濾波，可以提高電壓或者電流的穩定度。2.4.1輸入整流濾波回路本文設計的是1000W大功率電源。為了減小電源的輸入濾波電容，本 文使用的輸入整流濾波是通過三相橋式整流和諧振元件組成。2.4.2輸出整流濾波回路在大功率電源的設計中，常用的輸出整流濾波分為橋式整流和全波整 流。橋式整流電路相比較于全波整流除了適合輸出電壓比較高的電路之外, 還具有使變壓器結構簡單和降低整流管電壓的作用，所以橋式整流電路在 輸出濾波上更好。第3章開關電源主電路的設計3.1開關電源的設計要求本文設計的大功率開關電源主要應用于電力系統的高頻開關電源，確 定技術指標如下：輸入

28、電壓：380V 20% ；電網頻率：50Hz 10% ；功率因數：0.93以上;4.輸入過壓告警:437V 5V ；5.輸入欠壓告警:320V 5V ；6.輸出標稱電壓:220V ；7.輸出電壓范圍:176-286V ；8.輸出紋波電壓:*0為 10mV ；9.輸出額定電流:5A ；10.輸出過壓保護:325V 5V ；11.輸出欠壓保護:195V 5V ；在該課題的設計過程中，主要對大功率開關電源的工作原理、電路結 構作了分析，并結合開關電源的相關參數，確定并設計出了開關電源的電 路結構。3.2電路結構框圖通過對大功率開關電源設計的任務要求，我們對選取的方案作了一些驗證和比較。通過圖3-1可

29、以看出主電路和控制電路的基本組成。其中,主電路包括輸入整流濾波、高頻逆變和輸出整流濾波三個部分。控制電路洛陽理工學院畢業設計（論文）圖3-2開關電源的電路結構圖 洛陽理工學院畢業設計（論文）圖3-2開關電源的電路結構圖 包括監控單元、控制和保護單元、輔助電源和反饋四個部分。圖3-1開關電源的電路結構框圖示。該電路分為輸入整流濾波電路、單相逆變橋和輸出整流濾波電路。3-2所三相交流輸入電首先要經過EMI整流濾波，其作用主要是是濾除功率管開關產生的電壓電流尖峰和毛刺,減小對系統的干擾。然后再將信號送到全橋整流濾波電路，它采用了LC濾波，其主要作用是延長了電流導通經過分析比較和電路元器件的選擇后作具

30、體的電路設計，如圖時間，限制了電流峰值，從而達到提高電源的輸入功率因數的目的。除此 之外，電阻Ri和R2存在的目的是為了平衡串聯電容上的電壓，維持系統穩 定。而高頻電容與電解電容的并聯是為了濾除高頻諧波，同時也彌補了電解電容在高頻特性方面的不足。* C8Q4仁桿二L4L3T1D4D3+4-齊D1!：:D6R3 g C9C12亠TVC13-Ih-r電流采樣ci rci5D5D7q3C18T2HI洛陽理工學院畢業設計（論文） 洛陽理工學院畢業設計（論文） 為了滿足高壓、高功率的要求，在單相逆變橋電路中選擇使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT ）。其中，電容 C7和C8并聯在兩個橋臂之間，起到了 降低兩個

31、橋臂之間的尖峰的干擾的作用。電感L2和電容C16、C17、C18起到了防止變壓器T2的直流偏磁的作用。為了檢測原邊電流是否滿足要求，變壓器的原邊需要添加交流互感器。在輸出整流濾波電路中， 選擇全橋整流濾波電路,以滿足高壓的要求。其中，高頻濾波電感L4，電解電容（C9、C14）是為了濾除高頻諧波分量。共模電感C11、C15）和高頻電容（C10、了抑制共模分量。電流米樣電阻和輸出二極管L3, 丫 電容（C12、C13）是為D3是為了防止電池電流反灌。3.3輸入整流濾波電路該電源的輸入整流濾波電路為整流橋電路和輸入濾波電路兩部分。3.3.1整流橋電路工作頻率為50Hz，輸入電壓為380V三相交流電壓

32、，采用三相整流橋。（1）耐壓整流橋輸入電壓的最大值Uin.mUinM2 =380X1.2=4567整流二極管的電壓峰值為(3-1 )J2U in max = J2 X 380咒(1 + 20%) = 644.8V選取的裕量為 50%時 644.8x(1 +50%) =967.2V(3-2 )根據整流橋的實際電壓參數，我們選擇耐壓為1200V的整流橋。（2 ）額定電流因為電源的效率會隨著輸入功率的變化而變化，所以我們應選擇電源80%。的效率的最小值。因此，選擇的電源效率為輸入功率為P = Pn =220 x5/0.8 =1375W(3-3)因為最大輸入電流選取的是交流輸入電壓的下限，所以Uin.

33、max =380 x80%= 304V(3-4)最大輸入線電流I in .maxPmU in .min3041375=2.61A(3-5)取整流橋的額定電流為10A。3.2.2輸入整流電容輸入整流電容 Cm取決于輸出保持時間和輸入紋波電壓的大小。統電壓最低時接在三相橋式整流電路兩端的平均輸出電壓7CEa(3-6)其中，Ea為交流輸入線電壓。考慮到本設計的相關參數得(3-7)E =1.35咒380 咒(1 -20%) =410.4V通過直流輸入電路的平均電流為衛二述=3.35AI av E 410.4(3-8)單相全橋整流濾波電路的濾波電容為:Cm = 400 600 lav(3-9)由于三相全

34、橋整流濾波電路的基頻為單相全橋整流濾波電路的3倍。因此，三相電路的濾波電容為:Cm=133200|av(3-10)代入相關參數得Cm=200 x3.35 = 670uF(3-11 )根據計算結果，我們選擇4個1000卩F/400V的電解電容。洛陽理工學院畢業設計(論文) 洛陽理工學院畢業設計(論文) 333輸入濾波電感輸入濾波電感中最大電流為電路電壓處于交流輸入電壓下限時通過輸 入電路的電流的平均值 |av。考慮到濾波電感的作用，則其電感越大，電流 脈沖就越小，輸入功率因素越高。但由于各方面的條件制約，我們只能選 用C15X32X105硅鋼片鐵芯，線徑為 1.6伽，電感為18mH的工頻電感。3

35、.4逆變電路的設計3.4.1功率轉換電路通過第二章的分析可以知到，本文設計的開關電源為功率電源一類, 選用全橋式功率轉換電路較好。3.4.2確定電路工作頻率考慮到開關管的相關參數、主電路及控制電路的特性等一系列因素,選取開關管的工作頻率為30KHZ。3.4.3咼頻變壓器的計算(1)選取工作磁通密度考慮到高頻變壓器的相關參數，我們應選取的磁芯為 MX0-200鐵氧體材料，那么它的工作磁通密度為900GS。h環形磁(3-12 )(2)考慮磁芯規格并計算原邊繞組匝數根據開關電源所選用高頻變壓器的設計要求，我們采用環形磁芯。那么，選用的環形磁芯的規格為:Ddh =120 60X 20mm式中：D 環形

36、磁芯的外徑；d 環形磁芯的內徑;芯的厚度。高頻變壓器的原邊總的截面積為:N1S廠寫00式中，工作頻率f為30KHZ ; ton為導通時間，由計算所得的占空比可知，導通時間取 11 us V1為原邊繞組上的電壓，其最大值為系統電壓最大 時的三相整流濾波輸出電壓。那么V1max應當取值為：(3-13 )V1max = 380% (1 + 20%) X 42= 644.7V磁芯截面積Sc為:口 g12%20 =600mm2SC2 2(3-14 )那么，高頻變壓器原邊繞組的匝數N1為:(3-15 )N r = 644.75咒100 = 65.6N12x6x900高頻變壓器原邊繞組的匝數應當取整，結果為

37、66。286V。考慮到線路傳輸的(3)按照設計要求，輸出電壓的最大值為壓降，選取該壓降為 0.3V。因此，該開關電源的輸出電壓最大值為:/omax =325 + 0.3 = 325.3VV o.max(3-16)考慮到相關參數和結算結果，我們選取輸出整流二極管的壓降為濾波電感的壓降為0.6V，開關橋的最大占空比Dmax為0.66。那么,2V，當滿足輸出電壓最大值與額定負載時，高頻變壓器副邊繞組電壓最小值為:V2min =(325.3+2 +0.6)/0.66=496.8V(3-17)又因為理想變壓器的原、畐他的電壓比與其繞組的匝數比相等，所以得高頻變壓器的副邊繞組匝數的計算公式為:2=納(3-

38、18 )其中，原邊繞組的電壓最小值為:V1min =380X(1 20%)咒1.35 =410.4V(3-19 )因此，通過計算我們可以得到高頻變壓器的副邊繞組的匝數為:49氓=78.7410.4(3-20 )對上式結果取整后可以得到高頻變壓器副邊繞組匝數為79。Dmax(4)實際占空比的計算當滿足輸入電壓最低和輸出電壓最高時，有最大脈沖占空比(3-21 )V2mi“評imin=410.4=491V(3-22 )Dmax-Vorn化泄竺士U.668V2min491(3-23 )ton.max =Dmax% =0.668x33.4/2 = 11.15us(3-24 )通過計算結果可知，最大占空比

39、為0.668，導通脈寬為11.15 g。當滿足輸入電壓最高和輸出電壓最低時，有最小脈沖占空比Dmin。N279V2ma-V1ma-644.771.7V(3-25 )假設，此時 VoD +Vori =1V ,DminominWoD+Vo-=0.254771.7V2max(3-26 )ton.min = D min % =0.254x33.4/2 =4.24us(3-27 )通過計算，我們可以得到最小脈沖占空比為0.254，導通脈寬為 4.24 pSoVimin =380 x(1-20%)x1.35=410.4V(5 )繞組導線的選取當負載電流為額定電流的105%時，流過輸出電感的電流平均值為I2

40、av =5x105% =5.25A流過副邊繞組的電流幅值為= 5.25/0.668 =7.86AI2m2由于運動中的電子具有趨膚效應，經查找相關資料，當工作頻率為30KHZ時，電子的穿透深度為0.3815伽。所以，在選取導線時，其線徑應當小于0.763 mm。考慮到線圈的繞制問題，我們選取線徑為 0.31 mm的導線,以便于繞制線圈。折算后的原邊繞組流過的電流為:(3-28 )I21 =業12皿=79X5.25 =6.28ANi66折算后的勵磁電流幅值及其平均值為:(3-27 )lu =8%l2m =0-08x5.25 = 0.42Aluav 丄=0.42/2 =0.21A2(3-28 )等效

41、后的原邊繞組的電流11m及其有效值為:l1m =21 +luav =5.25+0.21 =5.46A(3-29 )l = l 伽 jDmax = 5.46 X Jo.668 = 4.46A(3-30 )因此，我們選取原邊繞組的線徑為0.31伽，電流密度為J =3A/mm2，單根導線載流量為0.2264A，因而需用4.4% 2264 =19.70 根,取整為20根。(6 )繞組面積的確定軻20 X 60 X 20磁芯的面積為:S0 =n d =2826mm2(3-31 )經查找相關資料可得，原邊繞組的最大外徑為0.37伽。因此，原邊繞組占有的標稱面積為:S1 = %咒0.372 X20 咒 66

42、 =141.93mm2(3-32 )副邊繞組占有的標稱面積為:S2 =%咒0.372 X24x79 = 203.86mm2(3-33 )占空系數P為:p=(S1+S2 = (141.93 +203.8%26 = 0.12(3-34 )因此，窗口面積足夠。(7)校核繞組壓降及功耗啊20咒60咒20磁環的高度為 2 cm，徑向厚度為3 cm，設副邊繞組的平均匝長為15 cm。經過查找相關資料可知，0.31伽導線的銅芯截面積為0.07548 mm2。所以副邊繞組的截面積S2為：洛陽理工學院畢業設計（論文） 洛陽理工學院畢業設計（論文） (3-35)單個繞組電阻R2為:R2 = P 比=0.0168x

43、15x0.01x79/1.812 =0.110S2(3-36)常溫下，銅的電阻率為0.0168 O.mm2/m。其副邊繞組的功率損耗為：Pr2 = I 2R2 = 5.252 X 0.11 = 3.03W(3-37)設原邊繞組的平均匝長約為12 cm,所以原邊繞組的截面積Si為:S =20 x0.07548 = 1.51mm2其中，電阻Ri為:艮=pIl =0.0168x12x0.01x66/1.51 =0.090S1(3-38)原邊繞組功耗為:Pr1 =|12R1 =4.462x0.668x0.09 = 1.19W(3-39)變壓器繞組總功耗 PB為:Pb =Pr1 +Pr2 =1.19 +

44、3.03 = 4.22W(3-40)3.4.4高壓開關管的選擇（1 ）耐壓當系統輸入電壓取最大值時，加在整流電路兩端的輸出電壓Em為:Em = V2u inmax = 380 X(1 + 20%) X 72 = 644.88V(3-41)取 50%的裕量為 Em =644.88x(1 +50%) = 967.32V。（2 ）開關電流通過計算，我們得知了最大占空比Dmax為0.668，最小占空比 Dmin為2S2 =24x0.07548 = 1.812mm0.254。流入整流濾波電路的輸出電流的最大值為: Pm in max1375_Emin _ 380天(1-20%)%1.35_3.35A(3

45、-42)min此時 Dmax =0.668 ；則輸出電流的峰值為3.35/0.668 = 5.01 A。流入整流濾波電路的輸出電流的最小值為:1375I in min E min 380 咒(1 + 20%)咒 1.35 彳2(3-43)此時 Dmin =0.254 ；輸出電流的峰值為2.23/0.254 = 8.78A o所以，流過開關管的最大電流值為 通過對計算結果的分析，我們選取耐壓為8.78A。1200V，電流容許值為 60A的IGBT單管CM60HSA24作為高壓開光管。3.4.5隔直電容Cb的選擇在第二章中，我們分析了電路的工作原理，計算了相關參數，得出了初級電流的下降時間:T =

46、4Ll(3-44)其中，Ll為變壓器漏感；D為占空比。在變壓器的學習中，我們知道漏感與線圈的繞制方法以及磁芯材料等4 pSo因素有關。在前面的計算中，我們選擇的工作頻率為30KHZ，得到的占空比的最大值Dmax為0.668，在電容充電過程中，電流逐漸變小的時間為所以，隔直電容為:CbDT xiT=4.77uF4Ll(3-45)3.5輸出整流濾波電路輸出整流濾波通過濾波電感及濾波電容和快恢復整流二極管的整流將 高頻變壓器輸出的高頻交變電壓或電流按設計要求進行整流濾波輸出。因 為輸出電壓比較高（220V ）,所以為了提高安全可靠性，高頻變壓器副邊 繞組應選擇橋式整流電路。3.5.1輸出整流二極管因

47、為輸出二極管工作于高頻狀態（30KHZ），所以應選用快恢復二極管。（1）耐壓高頻變器副邊的輸出電壓峰值為:V2max =V1max霜=380 如 20%）嚅十亠（3-46 ）所以加在輸出整流二極管上的最高電壓為771.9V。（2）電流輸出整流二極管的電流和輸出濾波電感的電流相等，通過前面的計算我們知道流過輸出濾波電感的電流為5.25A，所以輸出整流二極管的電流為 5.25A。根據以上分析，同時考慮一定的裕量，選取RURU30120作為輸出二極管，其耐壓為 120V，額定電流為 30A。3.5.2輸出濾波電感根據相關參考文獻資料 1中的理論公式,可以知道:假設I 0min為負載額定電流的5%即g

48、min= 5x5% =0.25AT=/fs%03=33.3uSTon min= Dmin% =4.2uSV2max= 771.9V此時的電感電流增量應當小于或等于2l0min，所以,1V2 max V0minL = Temin2 I 0min=771.9-195 K 4.2X10工=4.84X10二 H （ 3-47）2 咒 0.25所以選取的濾波電感為4.84X10；H。3.5.3輸出濾波電容（1）根據輸出紋波電壓也V。來計算時，可以得到濾波電容的計算公式:洛陽理工學院畢業設計(論文) #洛陽理工學院畢業設計(論文) C V0(1-Dmin)C =220 x(1 -0.254)2-23=1.

49、17x10F ( 3-48)32 f 2L0iV032X300002 咒4.84咒10七0.1(2 )根據輸出電壓動態幅度AV。來計算時，可以得到的濾波電容的計算公式為:L0 I 0maxC = 2 2 Vp -V。(3-49 )其中，I0max為最大輸出電流，取5A ；Vp為電源從滿載變為空載時輸出電壓的變化值，取221V。因此，可得輸出濾波電容為:32C 5.10 X5LC =2= 334 uF221 -220在考慮一定裕量時，最后取值為500uF。洛陽理工學院畢業設計（論文） 洛陽理工學院畢業設計（論文） 第4章控制電路的設計4.1 PWM集成控制器的基本原理PWM集成控制器主要包括電壓

50、型控制器和電流控制器。電壓控制器只有電壓反饋控制，能夠滿足穩壓的要求；而電流型控制器還具有電流反 饋控制的功能，除了穩壓之外，還有以下優點：負載動態響應快；可減小輸出濾波電容的容量；多臺開關電源并聯工作時，PW州關控制器具有內在的均流能力；當流過開關管的電流達到預定值時，開關管自動關斷。常用的脈寬調制（PWM ）型集成控制器由推挽輸出電路、脈寬調制比 較器等組成。基準電壓和采樣反饋信號通過誤差放大器比較放大后，輸出 的差值信號與鋸齒波比較從而改變輸出脈寬，以實現穩壓。4.2高速脈寬調制器 UC3825UC3825PWM集成控制芯片符合我們的設計要求，下面分析一下這個 芯片的主要特點和工作原理。

51、4.2.1主要特點具有較高的頻率精度并可對死區進行控制，同時振蕩器放電電流也可調；具有全周期再啟動的封鎖式過流比較器；適用于電壓型或電流型開關電源電路； 輸出脈沖最大傳輸延遲時間為50 ns;帶有雙重抑制脈沖和全封閉邏輯； 開關頻率最咼可達到達 1MHz ； 內有寬頻帶誤差信號放大器；內有逐脈沖限流比較器;具有軟啟動控制；上升沿封鎖閾值可調，同時上升沿噪音可調，帶隙基準電壓可調; 啟動電流小一（典型值為100mA ）;在欠壓鎖定期間，輸出低電平；16V/10V （ B 型）；欠壓鎖定一422極限參數電源電壓（15, B 腳）22V輸出腳電流（流出或流入）（11,14 腳）直流0.5A脈沖（0.

52、5ms）2.2A地線（12腳）-0.2V模擬輸入（1,2,7 腳）（8,9 腳）-0.3-7V-0.3-6V時鐘輸出電流（4腳）-5mA誤差放大器輸出電流（3 腳）5mA軟啟動電流（8腳）20mA振蕩器充電電流（5腳）-5mA功耗（60 C時）1W儲存溫度范圍-65-150 C焊接溫度（焊接時長為10s）（注：管腳電壓以地線電壓為基準;電流正方向以流入管腳為準）4.2.3內部工作原理UC3825的內部工作電路結構如圖4-1所示，主要由PWM比較器、PWM鎖存器、輸出驅動器、基準電壓源、軟啟動電路、故障鎖存器等部分組成。洛陽理工學院畢業設計(論文)(4-1) 洛陽理工學院畢業設計(論文)(4-1

53、) ciocwtp附両0cGt車1Odtral.vT WM BandWMIA I Erw Amp &for_r W AmpT iNVffl-Son Sart BIiWflD 庫PWM Lfltfifl (I Oom.) 5- ILHV西申Qfl 廿一L 一-申Out1腫Outna(1 )振蕩器_ .J 扁“J-VM Gwr 隹 3rowOulpirt-J圖4-1 UC3825內部工作電路5.1VBia nki ng)400uA斗9V、丄7UC3825圖4-2振蕩電路通過圖4-2可以看出，鋸齒波上升沿的斜率由Rt、Ct決定，確定Rt、Ct的方法是：通過最大占空比Dmax計算選用的Rt，進一步計算

54、選用的Ct 0則其計算公式為:3VRt (100mA)(1-Dmax)洛陽理工學院畢業設計（論文） 洛陽理工學院畢業設計（論文） 洛陽理工學院畢業設計(論文) (4-2)C 1.6xDmaxCt =Rt X F在設計應用中，Rt選為6.65 S， Ct選為0.005 jjFo(2)上升沿封鎖圖4-3上升沿封鎖工作波形由上升沿封鎖工作波形如圖4-3所示，輸出脈沖的頻率是振蕩器頻率的1/2。所以，輸出脈沖的頻率是100KHZ。由于功率管截止時間的問題,使得橋臂容易短路，所以輸出脈沖占空比應該在50%以下。同時，為了實現限制最大占空比的目的，在振蕩電容放電期間，內部時鐘脈沖對兩路輸 出進行封鎖。在內

55、部時鐘脈沖的下降沿，輸出端為高電平。一般情況下，脈寬調制比較器會檢測誤差放大器的輸出電壓，從而終 止輸出脈沖。因為采用了上升沿封鎖，在脈沖前沿的某一段時間內，脈寬 調制比較器失效，從而有效抑制開關電源的固有噪聲。而且在上升沿封鎖 的作用下，脈寬調制比較器的諧波輸入不需要經過濾波環節。我們在CLK/LEB腳應接入電容 C,使上升沿封鎖時間得到了有效地調整。另外，為了更準確控制前沿封鎖時間，可以在外部并聯一個 2( 2%)電阻R o前沿封鎖時間tLED為：tLED =0.5x(R/10k)xc(4-3)（3）軟啟動以及故障處理圖4-4軟啟動和故障處理波形軟啟動是通過軟啟動腳（SOFT、START）

56、腳的外接電容來實現的。通 過圖4-4的分析可知，當接通電源以后，外接電容開始放電，軟啟動腳處 于低電平，誤差放大器輸出低電壓，開關電源沒有輸出電壓。當軟啟動腳 的外接電容開始充電時，誤差放大器的輸出電壓開始逐漸升高，閉環調節 裝置開始工作，開關電源輸出電壓逐漸升高，直到達到輸出電壓額定值， 完成充電。當限流腳（ILIM ）的電壓大于 1.2V時，故障鎖存器置位，輸出腳變 為低電平，軟啟動腳的外接電容放電。 當軟啟動腳的外接電容放電結束后， 限流腳電壓降到1.2V以下時，故障鎖存器復位，芯片開始軟啟動過程。在軟啟動期間，若故障鎖存器突然置位，輸出會立即中止。但是軟啟 動腳外接電容在充足電之前不會

57、放電。這樣，在故障連續出現的情況下， 輸出就會出現一個間斷期。（4 ）大電流輸出電路UC3825UcUcC2OUTR下D VD1TC3 1.LVD2Pgnd圖4-5功率MOSFET的驅動電路功率MOSFET驅動電路如圖 4-5所示。UC3825推拉式輸出電路的每個輸出端都可輸出峰值為2A的電流。該輸出電流在20ns內可使1000pF電容兩端的電壓上升15V。采用獨立的集電極電源Uc和功率地線Pgnd腳，能夠減小大功率門極驅動噪聲對集成電路內模擬電路的干擾。每個輸出端（OUT ）到Uc和Pgnd之間都應加入一個3A的肖特基二極管（IN5120，USD245或相同性能的器件），如圖4-5所示。該二

58、極管可將輸出電壓的幅值箝位在電源電壓，對任何感性和容性負 載都是必不可少的。4.3 UC3825的調試UC3825作為控制電路的核心，集成了相當多的功能。過去需要用分立單元完成的功能，現在都可以通過UC3825來完成，其一般結構如下圖 4-6所示。u:rr孔皿7n呼r iur1* AimMV 11A hl01 nr圖4-6UC3825 的工作結構電路在UC3825的工作結構電路圖4-6中，Vref為參考電壓，為線性光耦合器控制部分提供工作電壓；Rt和Ct用來調節PWM的占空比Dmax和振蕩頻率；端口 2為輸入端口， Out A和Out B是PWM信號的輸出端口，信號 的幅值由端口 13的Vc決

59、定。Out A和Out B輸出的兩個 PWM信號是相互之間有死區時間的互補信號。因為功率MOSFET的截止時間比導通時間長，如果Dmax過大，將會導致橋臂短路的情況。通過實驗可知，UC3825的2腳輸入和 Out A、Out B輸出的PWM脈沖信號的占空比是滿足線性關系的。具體實驗數據如表 4-1所示。我們定義UC3825的2腳輸入為V2j，輸出的PWM信號占空比為 D。表4-1UC3825輸入與輸出占空比的關系V2j（ V）0.9451.1661.3081.4291.5371.7041.743D（ %04812162024V2j（ V）1.8721.9722.0382.132D（ %2832

60、3640從表4-1中的數據可以看出，端口 2的數值范圍為：0.945V2.132V，而PWM脈沖信號的占空比在 0%40%之間變化，與上述的結論基本吻合。4.4反饋電路的設計高頻開關電源包括內環和外環兩個閉環環控制系統，內環是電流反饋 控制，外環是電壓反饋控制。電流反饋控制需要在開關變換器和高頻變壓 器之間添加一個檢測電流的互感器。其工作原理大致是將檢測信號送到UC3825的第9個管腳限流端，當負載電流過大時關斷。電壓反饋控制在主電路的輸出端進行采樣，再將采樣電壓與整定電壓進行比較后送到比例積分放大器，然后送到UC3825的第2個管腳，以控制PWM信號的占空比，從而達到控制主電路輸出電壓的目的